Магнитные поля замедляют миграцию углерода в железе, изменяя энергетические барьеры

Профессор Даллас Тринкл и его коллеги впервые дали количественное объяснение тому, как магнитные поля замедляют движение атомов углерода через железо — явление, впервые наблюдавшееся в 1970-х годах, но так до конца и не понятое. Опубликованное в журнале Physical Review Letters их компьютерное моделирование показывает, что выравнивание магнитного поля изменяет энергетические барьеры между атомными «клетками», открывая потенциальные пути для снижения энергозатрат и выбросов CO₂, связанных с обработкой стали.

Влияние магнитного упорядочения на межатомные расстояния Fe–C для ближайших (NN) и вторых ближайших (2NN) соседей, когда углерод находится в октаэдрических позициях ⟨100⟩ и тетраэдрических переходных состояниях (TS). Геометрические вставки иллюстрируют углерод и его NN и 2NN для каждой конфигурации. Затенённая область на каждой панели указывает на октаэдрическую или тетраэдрическую «клетку», а чёрные линии очерчивают октаэдрическую клетку на обеих панелях. Автор: Люк Дж. Уирт и др.

Сталь, сплав железа и углерода, является одним из самых используемых строительных материалов на планете. Для формирования её микроструктуры требуются высокие температуры, в результате чего большая часть процессов обработки стали потребляет значительное количество энергии. В 1970-х годах учёные отметили, что некоторые стали проявляют лучшие свойства при термообработке в магнитном поле, но их идеи, объясняющие это поведение, были лишь концептуальными. Понимание механизма, стоящего за этим явлением, могло бы улучшить способность инженеров контролировать термообработку, усовершенствовать процессы обработки материалов и потенциально снизить энергозатраты.

«Предыдущие объяснения этого поведения были в лучшем случае феноменологическими, — сказал Тринкл, профессор материаловедения и инженерии имени Ивана Рачеффа и старший автор статьи. — Когда вы проектируете материал, вы должны быть в состоянии сказать: "Если я добавлю этот элемент, материал изменится так-то". А у нас не было понимания, как это происходит; не было ничего предсказательного».

Моделирование раскрывает механизмы на атомном уровне

Тринкл использовал свой опыт в моделировании диффузии, чтобы решить этот давний вопрос в рамках более крупной группы. В железо-углеродистых сплавах, таких как сталь, атомы углерода находятся в октаэдрических «клетках», окружённых атомами железа. Моделируя диффузию углерода через железо, Тринкл и его коллеги смогли лучше понять механизм, вызывающий это уникальное поведение.

Используя технику, называемую усреднением в спиновом пространстве, Тринкл создал компьютерные симуляции, воспроизводящие влияние температуры и магнитных полей на ориентацию спинов атомов железа. Когда северный и южный полюса атома железа выровнены, они считаются ферромагнитными — с высокой вероятностью намагничивания. Когда полюса не выровнены, они являются парамагнитными, то есть слабо намагниченными.

Моделирование Тринкла выявило изменение энергетического барьера, когда спины атомов были выровнены, что позволяет предположить, что усиление магнитного порядка препятствует движению атомов углерода между клетками.

«Требуется чрезвычайно сильное поле, чтобы переключить магнитные моменты, — сказал Тринкл. — Если вы находитесь вблизи температуры Кюри, магнитное поле оказывает сильное влияние… Когда спины более случайны, октаэдр (клетка) фактически становится более изотропным: всё это как бы открывается и даёт больше пространства для движения».

Последствия для будущего производства стали

Тринкл надеется, что недавние открытия можно будет использовать для снижения энергии, необходимой для обработки стали, что уменьшит как её стоимость, так и выбросы CO₂. Он также считает, что эти знания можно перенести на другие материалы для количественного прогнозирования диффузии в магнитных полях.

«Мы хотели иметь возможность проводить реальные расчёты; показать не только качественно, но и количественно эффективное поле и температуру. Теперь, когда у нас есть эта информация, мы можем начать больше думать о проектировании сплавов. Возможно, это будет выбор уже существующих сплавов или даже размышления о химическом составе сплавов, которые мы ещё не используем, но которые могут быть чрезвычайно выгодными».

Источник: University of Illinois Grainger College of Engineering